CN101702624A - 多段式转换的数字-模拟转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字-模拟转换器包含一电阻串、3组16对1选择器，以及一加法器，用来接收一12位数字数据，并以3段式转换来提供相对应的模拟输出电压。电阻串包含复数个串接的分压单元，用来以分压方式提供对应于每一阶段转换的复数组参考电压。在接收到电阻串产生的复数组参考电压后，3组16对1选择器分别依据对应于12位数字数据中4个最大位、4个次大位和4个最小位的数字讯号来输出对应于每一阶段转换的3组参考电压，最后再由加法器加总3组参考电压以产生相对应的模拟输出电压。

Description

多段式转换的数字-模拟转换器

技术领域

本发明相关于一种数字模拟转换器，尤指一种可节省面积且提供多段式转换的数字模拟转换器。

背景技术

液晶显示器(liquid crystal display，LCD)具有外型轻薄、低耗电和无辐射污染等特性，因此被广泛地应用在计算机系统、行动电话、或个人数字助理(personal digitalassistant，PDA)等电子产品上。液晶显示器一般使用源极驱动电路(source driver)和闸极驱动电路(gate driver)来驱动面板上的像素。源极驱动电路通常包含移位缓存器(shift register)、输入缓存器、数据锁存器、数字-模拟转换器(digital-to-analogconverter，DAC)和输出缓冲器等电路。数字-模拟转换器的作用在于将数字输入电压转换为模拟输出电压，通常以线性方式进行电压转换。然而，由于液晶亮度和施加电压之间呈非线性关系，源极驱动电路内的数字-模拟转换器会利用电阻串来提供伽码电压(Gammavoltage)补偿。

请参考图1，图1为先前技术中一N位数字-模拟转换器10的示意图。数字-模拟转换器10包含一电阻串110和一2^N对1选择器120，可依据一N位数字输入数据[D₀；D_N-1]来提供一相对应的模拟输出电压V_OUT。电阻串110耦接于一正偏压V_REFH和一负偏压V_REFL之间，可利用2^N个串接分压单元来对压差ΔV_REF(ΔV_REF＝V_REFH-V_REFL)进行分压，进而提供2^N组参考电压

2^N对1选择器120耦接至电阻串110中两相邻电阻之间以接收2^N组参考电压

并依据N位数字输入数据[D₀；D_N-1]来输出一相对应的参考电压以做为输出电压V_OUT。

在先前技术中，N位数字-模拟转换器10的面积会随着分辨率提升而大幅增加。面板分辨率每增加1位，数字-模拟转换器10的面积大致上会加倍。举例来说，假设先前技术10位数字-模拟转换器10的面积为A，则先前技术12位数字-模拟转换器10的面积大约为4A。因此，在高分辨率的应用中，先前技术的N位数字-模拟转换器10会占据极大空间，因此无法达成微型化的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种多段式转换的数字-模拟转换器，用来接收一N位数字输入数据并输出一相对应的模拟电压，其包含一电阻串、第一至第三多对一选择器，以及一加法器。该电阻串包含2^A个串接的第一分压单元，用来提供2^A组参考电压，其中该2^A组参考电压分别对应于该N位数字输入数据的A个最大位，且该2^A个第一分压单元中一第一分压单元是包含2^B个串接的第二分压单元，用来提供2^B组参考电压，其中该2^B组参考电压分别对应于该N位数字输入数据中除了该A个最大位外的B个最大位，且该2^B个第二分压单元中一第二分压单元是包含2^C个串接的第三分压单元，用来提供2^C组参考电压，其中该2^C组参考电压是对应于该N位数字输入数据中除了该(A+B)个最大位外的C个最大位，N、A、B和C皆为正整数，且A、B和C的总合不大于N。该第一多对一选择器用来接收该第一分压单元所输出的该2^A组参考电压，并依据一A位数字讯号来输出该2^A组参考电压中一相对应的参考电压。该第二多对一选择器用来接收该第二分压单元所输出的该2^B组参考电压，并依据一B位数字讯号来输出该2^B组参考电压中一相对应的参考电压。该第三多对一选择器用来接收该第三分压单元所输出的该2^C组参考电压，并依据一C位数字讯号来输出该2^C组参考电压中一相对应的参考电压。该加法器用来加总该第一至第三多对一选择器所输出的参考电压以产生该模拟电压。

附图说明

图1为先前技术中一N位数字-模拟转换器的示意图。

图2为本发明中一N位数字-模拟转换器的示意图。

图3为本发明实施例中一N位数字-模拟转换器的示意图。

图4为本发明和先前技术数字-模拟转换器的架构的图表。

【主要组件符号说明】

10、20数字-模拟转换器        110、210电阻串

220加法器                    C1～C3电容

SC₁～SC_m选择器               SW1～SW6开关

OP运算放大器

R₁～R_m、RM1～RM16、

RX1～RX16、RS1～RS16分压单元

具体实施方式

请参考图2，图2为本发明中一N位数字-模拟转换器20的示意图。N位数字-模拟转换器20可接收N位数字输入数据，再采用m阶段转换提供相对应的模拟输出电压V_OUT。在第2图中，N位数字输入数据[D₀；D_N-1]的最大n₁个位

由DATA1来表示，次大n₂个位[D_N-n1-n2；D_N-n1-1]由DATA2来表示，…，而最小n_m个位

由DATAm来表示，其中n₁+n₂+…+n_m＝N。

数字-模拟转换器20包含一电阻串210、m组多对1选择器SC₁～SC_m，以及一加法器220。电阻串210耦接于一正偏压V_REFH和一负偏压V_REFL之间，可对压差ΔV_REF(ΔV_REF＝V_REFH-V_REFL)进行分压以提供复数组参考电压。电阻串210包含个串接的分压单元R₁，每一分压单元R₁的电阻值相同，可对压差ΔV_REF进行分压以提供

组参考电压V1(0)～V1

至选择器SC₁，其中参考电压V1(0)～V1

的值是从V_REFL起以等间距ΔV_REF1

依序递增；在

个分压单元R₁中，其中一分压单元R₁包含

个分压单元R₂，每一分压单元R₂的电阻值相同，可对压差ΔV_REF1进行分压以提供n₂组参考电压V2(0)～V2()至选择器SC₂，其中参考电压V2(0)～V2的值是从V_REFL起以等间距ΔV_REF2 依序递增；…；依此类推，在

个分压单元R_m-1中，其中一分压单元R_m-1包含

个分压单元R_m，每一分压单元R_m的电阻值相同，可对压差ΔV_REF(m-1)

进行分压以提供

组参考电压Vm(0)～Vm至选择器SC_m，其中参考电压Vm(0)～Vm

的值从V_REFL起以等间距ΔV_REFm

依序递增。在本发明中，分压单元R₁～R_m的电阻值有着下列关系：

$R_1=2^{n_2}*R_2$

$R_2=2^{n_3}*R_3$

$\·\·\·$

$R_{m-1}=2^{n_m}*R_m\·\·\·\left(\text{1}\right)$

因此，电阻串210的整体电阻R_TOTAL可由下列公式来表示：

$R_{\mathrm{TOTAL}}=2^{n_1}*R_1=2^{(n_1+n_2)}*R_2=\·\·\·=2^{(n_1+n_2+...+n_m)}*R_m$

选择器SC₁为

对1的架构，其接收电阻串210传来的

组参考电压V1(0)～V1(

)，再依据数字数据DATA1来选择其中的一以做为其输出参考电压V1；选择器SC₂为

对1的架构，其接收电阻串210传来的

组参考电压V2(0)～V2

再依据数字数据DATA2来选择其中的一以做为其输出参考电压V2；…；选择器SC_m为

对1的架构，其接收电阻串210传来的

组参考电压Vm(0)～Vm

再依据数字数据DATAm来选择其中的一以做为其输出参考电压Vm。最后再透过加法器220加总参考电压V1～Vm，以得到对应于原始N位数字输入数据[D₀；D_N-1]的模拟输出电压V_OUT。

换而言之，本发明采用m段式转换：第一阶段转换是利用

个串接的分压单元R₁将压差ΔV_REF粗分为

等分的压差ΔV_REF1，进而输出对应于N位数字输入数据中最大n₁个位的

组参考电压V1(0)～V1

再由选择器SC₁依据n₁位数字数据DATA1从

组参考电压V1(0)～V1

中择一输出以做为参考电压V1；第二阶段转换是利用

个串接的分压单元R₂将压差ΔV_REF1再次细分为

等分的压差ΔV_REF2，进而输出对应于N位数字输入数据中次大n₂个位的n₂组参考电压V2(0)～V2

再由选择器SC₂依据n₂位数字数据DATA2从

组参考电压V2(0)～V2

中择一输出以做为参考电压V2；…；第m阶段转换是利用

个串接的分压单元R_m将压差ΔV_REF(m-1)再次细分为

等分的压差ΔV_REFm，进而输出对应于N位数字输入数据中最小n_m个位的n_m组参考电压Vm(0)～Vm

再由选择器SC_m依据n_m位数字数据DATAm从n_m组参考电压Vm(0)～Vm中择一输出以做为参考电压Vm。

请参考图3，图3为本发明实施例中数字-模拟转换器20的示意图。在此实施例中，数字-模拟转换器20接收12位数字数据[D₀；D₁₁]，并将数字数据[D₀；D₁₁]分为对应至4个最大位[D₈；D₁₁]的DATA1、对应至4个次大位[D₄；D₇]的DATA2和对应至4个最小位[D₀；D₃]的DATA3。接着采用3段式转换，利用3组多对1选择器SC₁～SC₃和加法器220来提供相对应的模拟输出电压V_OUT。在第3图所示的实施例中，电阻串210耦接于一正偏压V_REFH和一负偏压V_REFL之间，其利用16个串接的分压单元RM1～RM16来进行第一阶段转换，每一分压单元RM1～RM16的电阻值皆为256R，可对压差ΔV_REF(ΔV_REF＝V_REFH-V_REFL)进行分压以提供16组参考电压V1(0)～V1(15)至选择器SC₁。接着，分压单元RM1再利用16个分压单元RX1～RX16来进行第二阶段转换，每一分压单元RX1～RX16的电阻值皆为64R，可对压差(ΔV_REF/16)进行分压以提供16组参考电压V2(0)～V2(15)至选择器SC₂。随后，分压单元RX1再利用16个分压单元RS1～RS16来进行第三阶段转换，每一分压单元RS1～RS16的电阻值皆为R，可对压差(ΔV_REF/256)进行分压以提供16组参考电压V3(0)～V3(15)至选择器SC₃。选择器SC₁～SC₃输出至加法器220的参考电压V1～V3分别由数字数据DATA1～DATA3来决定，其关系如下：

$V1=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{REF}}}{2^4}\mathrm{DATA}1+V_{\mathrm{REFL}}\·\·\·\left(2\right)$

$V2=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{REF}}}{2^4{2}^4}\mathrm{DATA}2+V_{\mathrm{REFL}}\·\·\·\left(3\right)$

$V3=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{REF}}}{2^4{2}^4{2}^4}\mathrm{DATA}3+V_{\mathrm{REFL}}\·\·\·\left(4\right)$

在图3所示的实施例中，加法器220包含一运算放大器OP、电容C1～C3，以及开关SW1～SW6。开关SW1～SW4依据控制讯号Φ1来运作，而开关SW5～SW6则依据控制讯号Φ2来运作。控制讯号Φ1和Φ2为彼此反相的周期讯号：在控制讯号Φ1的周期内，储存于电容C1～C3内的电荷由Q1来表示；在控制讯号Φ2的周期内，储存于电容C1～C3内的电荷由Q2来表示。同时，运算放大器OP的偏移电压(offset voltage)由V_OS来表示。因此，电荷Q1和Q2的值如下所示：

Q1＝C1(V1-V_REFL-V_OS)+C2(V2-V_REFL-V_OS)+C3(V3-V_REFL-V_OS)Q2＝C1(V_OUT-V_REFL-V_OS)+C2(-V_OS)+C3(-V_OS)

依据电荷相等原理，电荷Q1和Q2的值相同，因此可得：

V_OUT＝V1+(V2-V_REFL)C2/C1+(V3-V_REFL)C3/C1…(5)

假设C1＝C2＝C3，由公式(2)～(5)可得：

$V_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{REF}}}{2^4}\mathrm{DATA}1+\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{REF}}}{2^4{2}^4}\mathrm{DATA}2+\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{REF}}}{2^4{2}^4{2}^4}\mathrm{DATA}3+V_{\mathrm{REFL}}$

$=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{REF}}}{2^{12}}(2^8\mathrm{DATA}1+2^4\mathrm{DATA}2+\mathrm{DATA}3)+V_{\mathrm{REFL}}$

请参考图4，图4的图表显示了本发明和先前技术数字-模拟转换器之间的架构差异。假设10位数字-模拟转换器的面积为A，图4以12位的分辨率来做说明。先前技术的数字-模拟转换器使用2¹²个串联电阻来进行1段式转换，再由一2¹²对1选择器来选择相对应的输出电压，其面积约为4A。本发明则能透过m段式转换来减少面积：当使用两组分压单元(分别包含2⁶个串联电阻)来进行2段式转换时，此时仅需要一2⁶对1选择器来选择相对应的输出电压，因此面积可减少至12.5％A；当使用三组分压单元(分别包含2⁴个串联电阻)来进行3段式转换时，此时仅需要一2⁴对1选择器来选择相对应的输出电压，因此面积可减少至4.6875％A；当使用四组分压单元(分别包含2³个串联电阻)来进行4段式转换时，此时仅需要一2³对1选择器来选择相对应的输出电压，因此面积可减少至3.125％A。

在本发明中，只要符合公式(1)所示的关系，分压单元R₁～R_m可各包含单一电阻(如图3所示)、复数个串接电阻，或采用其它架构。同时，本发明亦可采用其它架构的加法器。图3所示的电阻串210和加法器220仅为本发明的实施例，并不限定本发明的范畴。

针对N位数字输入数据，本发明采用m段式转换来提供相对应的模拟输出电压，每一阶段分别转换N位数字输入数据中n₁～n_m个位(n₁+n₂+…+n_m＝N)，因此仅需使用小面积的选择器。本发明不但能有效地减小数字-模拟转换器的面积，同时亦能增加系统设计的弹性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种多段式转换的数字-模拟转换器，用来接收一N位数字输入数据并输出一相对应的模拟电压，其特征在于其包含：一电阻串，所述电阻串包含：2A个串接的第一分压单元，用来提供2A组参考电压，其中该2A组参考电压分别对应于该N位数字输入数据的A个最大位，且该2A个第一分压单元中一第一分压单元是包含：2B个串接的第二分压单元，用来提供2B组参考电压，其中该2B组参考电压分别对应于该N位数字输入数据中除了该A个最大位外的B个最大位，且该2B个第二分压单元中一第二分压单元是包含：2C个串接的第三分压单元，用来提供2C组参考电压，其中该2C组参考电压是对应于该N位数字输入数据中除了该(A+B)个最大位外的C个最大位，N、A、B和C皆为正整数，且A、B和C的总合不大于N；一第一多对一选择器，用来接收该第一分压单元所输出的该2A组参考电压，并依据一A位数字讯号来输出该2A组参考电压中一相对应的参考电压；一第二多对一选择器，用来接收该第二分压单元所输出的该2B组参考电压，并依据一B位数字讯号来输出该2B组参考电压中一相对应的参考电压；一第三多对一选择器，用来接收该第三分压单元所输出的该2C组参考电压，并依据一C位数字讯号来输出该2C组参考电压中一相对应的参考电压；以及一加法器，用来加总该第一至第三多对一选择器所输出的参考电压以产生该模拟电压。

2.根据权利要求1所述的多段式转换的数字-模拟转换器，其特征在于：其中每一第一分压单元的电阻相等，每一第二分压单元的电阻相等，而每一第三分压单元的电阻相等。

3.根据权利要求1所述的多段式转换的数字-模拟转换器，其特征在于：其中每一第一分压单元的电阻和该2B个第二分压单元的等效电阻相等。

4.根据权利要求1所述的多段式转换的数字-模拟转换器，其特征在于：其中每一第二分压单元的电阻实质上和该2C个第三分压单元的等效电阻相等。

5.根据权利要求1所述的多段式转换的数字-模拟转换器，其特征在于：其中该N位数字输入数据中除了该(A+B)个最大位外的该C个最大位是为该N位数字输入数据的C个最小位；其中所述的A、B和C的值相同。

6.根据权利要求1所述的多段式转换的数字-模拟转换器，其特征在于：其中该2C个第三分压单元中一第三分压单元是包含：2D个串接的第四分压单元，用来提供2D组参考电压，其中该2D组参考电压分别对应于该N位数字输入数据的D个最小位。

7.根据权利要求6所述的多段式转换的数字-模拟转换器，其特征在于：其中A、B、C和D的值相同。

8.根据权利要求6所述的多段式转换的数字-模拟转换器，其特征在于：其中A、B、C和D的总合等于N。

9.根据权利要求1所述的多段式转换的数字-模拟转换器，其特征在于：其中该A位数字数据是为该N位数字输入数据的该A个最大位，该B位数字数据是为该N位数字输入数据中除了该A个最大位外的该B个最大位，而该C位数字数据是为该N位数字输入数据中除了该(A+B)个最大位外的C个最大位。

10.根据权利要求1所述的多段式转换的数字-模拟转换器，其特征在于：，其中该电阻串是耦接于一第一偏压和一第二偏压之间，且该第一偏压的电位高于该第二偏压的电位；所述的数字-模拟转换器，其中该2A个串接的第一分压单元是将该第一和第二偏压之间的第一压差分压为2A等份的第二压差以提供该2A组参考电压，该2B个串接的第二分压单元是将该第二压差分压为2B等份的第三压差以提供该2B组参考电压，而该2C个串接的第三分压单元是将该第三压差分压为2C等份的第四压差以提供该C组参考电压。

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